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Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial, mit Hilfe des tiegellosen Zonenschmelzens durch Bewegung der an den Enden des Stabes angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse und ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den lotrecht stehenden Stab von unten nach oben eine Schmelzzone hindntchge- führt wird und dabei die den Stab in geringem Abstand ringförmig umgebende Heizeinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben geführt und die beiden Stabhalterungen einander derartig genähert werden,
dass das aus der Schmelze unterhalb der Heizeinrichtung sich wieder abscheidende Material einen grösseren Durchmesser als den Innendurchmesser der Heizeinrichtung aufweist.
Es ist bereits ein Verfahren zur Behandlung eines Halbleiterstabes durch tiegelloses Zonenschmelzen bekanntgeworden, bei dem die an den Stabenden angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse bewegt werden, um den Querschnitt des Stabes zu verändern, insbesondere um ihn zu vergleichmässigen.
Der Stab kann hiebei gestaucht oder auseinandergezogen werden, wobei der Querschnitt in weiten Grenzen veränderbar ist.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 194444 ist auch bereits ein Verfahren zum tiegelfreien Zonenschmelzen bekanntgeworden, bei dem durch passende Wahl des Verhältnisses der Geschwindigkeiten von oberer Stabhalterung und Heizeinrichtung gegenüber der unteren Stabhalterung ein beliebiger dünner Schmelzling gezogen werden kann.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich aus der an sich bekannten birnenförmigen Gestalt der Schmelzzone beim tiegelfreien Zonenschmelzen mit lotrecht stehendem Stab im Zusammenhang mit der Aufwärtsbewegung der Heizeinrichtung ein Nutzen in der Weise erzielen lässt, dass der Querschnitt des Stabes bis zu einem solchen Durchmesser vergrössert werden kann, dass dieser grösser als der Innendurchmesser der Heizeinrichtung wird. Es ergibt sich somit eine Möglichkeit, Stäbe dem Zonenreinigen zu unterwerfen und einen danach relativ grossen Durchmesser zu geben.
Der Prozess des Zonenreinigens ist nämlich mit Stäben grossen Durchmessers schwer zu handhaben. Es werden zu hohe Anforderungen an die Aufmerksamkeit der mit der Arbeit betrauten Personen gestellt. Für gewisse Zwecke werden aber Kristalle grossen Durchmessers benötigt, z. B. für elektrische Halbleiteranordnungen, wie Leistungsgleichrichter oder Leistungstransistoren. Solche Anordnungen besitzen meistens als Grundkörper eine flache Halbleiterscheibe, die durch Abtrennen von durch tiegelfreies Zonenschmelzen hergestellten Stäben quer zur Stabachse gewonnen werden, und deren Grösse deshalb gleich dem Stabdurchmesser ist. Für höhere Leistungen benötigt man nun Scheiben grösseren Durchmessers und demzufolge Stäbe grösseren Durchmessers.
Auch für optische Zwecke, beispielsweise für Linsen oder Filter, werden Kristalle grösseren Durchmessers gefordert, beispielsweise für Strahlungen im ultraroten Bereich aus Silicium.
Bisher bestand die Möglichkeit, nach dem Zonenreinigen eines Stabes mit relativ geringem Durchmesser diesen anschliessend in eine andere Zonenschmelzvorrichtung mit einem Heizring grösseren Durchmessers zu bringen, oder den Heizring auszuwechseln und danach eine entsprechende Stauchung des Stabes vorzunehmen. Dieses Verfahren ist aber gegenüber dem erfindungsgemässen Verfahren zeitraubend und unwirtschaftlich. Ausserdem ergibt sich die Möglichkeit von Verunreinigungen.
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An Hand eines Beispieles soll das Verfahren näher erläutert werden. In der Zeichnung ist der Bereich des Kristallstabes, an dem die Vergrösserung des Querschnittes vorgenommen wird, dargestellt. Die Beheizung der Schmelzzoue erfolgt mit Hilfe einer Induktionsspule, vorzugsweise einer Flachspule. Eine Flachspule ist besonders gut geeignet, weil sie eine gute Kontrolle der Arbeit und eine besonders enge Bündelung der Heizwirkung gestattet.
Zunächst wird der Stab in der üblichen Weise einem Zonenreinigungsprozess unterworfen, d. h. eine Schmelzzone wird mehrfach über die gesamte Stablänge geführt wobei sich die Verunreinigungen in der Schmelze anreichern und in dem rekristallisierenden Material vermindert werden. Hiedurch findet ein dauernder Transport der Verunreinigungen in Richtung zum Stabende statt. Mit dem Zonenreinigurgsprozess ist zweckmässigerweise eine Umwandlung des Stabes in einen Einkristall verbunden. Der Heizring umschliesst vorteilhafterweise den Stab mit geringem-Abstand. Der Stabdurchmesser beträgt zweckmässigerweise 10-18 mm. Dies ist eine Grösse, die sich erfahrungsgemäss leicht beherrschen lässt.
Nachdem der Zonenreinigungsprozess beendet ist, wird die Stauchung gemäss der Erfindung vorgenommen. Hat der Stab beispielsweise einen Durchmesser von 12 mm und soll auf einen solchen von 21 mm gebracht werden, so findet eine Querschnittsvergrösserung im Verhältnis 1 : 3 statt. Demgemäss wird der Heizring, im dargestellten Beispiel die Flachspule 2, deren Innendurchmesser zirka 18 mm beträgt, mit einer relativ grossen Geschwindigkeit nach oben bewegt, z. B. mit 6 mm/min. Dadurch wird erreicht, dass die Spule sich immer etwas näher am oberen Ende der Schmelze 3, also näher dem dünneren Stabteil 4 als dem dickeren Stabteil 5 befindet. Die untere Stabhaltung wird entsprechend nach oben bewegt, also in dem geschilderten Beispiel mit einer Geschwindigkeit von 4 mm/min, damit auf diese Weise die geforderte Stauchung stattfindet.
Entsprechend der grossen Wanderungsgeschwindigkeit der Heizspule muss eine stärkere Leistungszufuhr als beim Zonenreinigen erfolgen. Dies kann leicht an dem die Heizleistung liefernden Hochfrequenzgenerator eingeregelt werden. Durch diese vergrösserte Leistungszufuhr wird somit eine Vergrösserung der Schmelzzone bis zu einem solchen Wert erreicht, dass eine Stauchung des Stabes im gewünschten Masse bewirkt werden kann.
Zu Beginn des Stauchvorganges muss darauf geachtet werden, dass die Vergrösserung des Querschnittes in allmählichem Übergang erfolgt, weil sonst ein Wegfliessen der Schmelzzone auftreten kann.
Vorteilhaft wird die untere Stabhalterung in an sich bekannter Weise in Drehung gehalten, damit auf diese Weise ein symmetrisches Auswachsendes Stabes gewährleistet ist.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Verfahren zur Veränderung des Querschnittes eines Stabes aus kristallinem Material, insbesondere Halbleitermaterial, mit Hilfe des tiegellosen Zonenschmelzens durch Bewegung der an den Enden des Stabes angreifenden Stabhalterungen in Richtung der Stabachse, dadurch gekennzeichnet, dass durch den lotrecht stehenden Stab von unten nach oben eine Schmelzzone hindurchgeführt wird und dabei die den Stab in geringem Abstand ringförmig umgebende Heizeinrichtung mit einer solchen Geschwindigkeit nach oben geführt wird und die beiden Stabhalterungen einander derartig genähert werden, dass das aus der Schmelze unterhalb der Heizeinrichtung sich wieder abscheidende Material einen grösseren Durchmesser als den Innendurchmesser der Heizeinrichtung aufweist.
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Method for changing the cross section of a rod made of crystalline material, in particular semiconductor material
The invention relates to a method for changing the cross section of a rod made of crystalline material, in particular semiconductor material, with the aid of crucible-free zone melting by moving the rod holders engaging the ends of the rod in the direction of the rod axis and is characterized in that the vertically standing rod from below a melting zone is guided upwards and the heating device surrounding the rod at a small distance in a ring-shaped manner is guided upwards at such a speed and the two rod holders are brought closer to one another,
that the material which is deposited again from the melt below the heating device has a larger diameter than the inner diameter of the heating device.
A method for treating a semiconductor rod by crucible zone melting has already become known in which the rod holders engaging the rod ends are moved in the direction of the rod axis in order to change the cross section of the rod, in particular to make it more uniform.
The rod can be compressed or pulled apart, the cross section being variable within wide limits.
A method for crucible-free zone melting has already become known from Austrian patent specification No. 194444, in which any desired thin fused part can be drawn by suitable selection of the ratio of the speeds of the upper rod holder and heater to the lower rod holder.
The invention is based on the knowledge that the known pear-shaped shape of the melting zone in the case of crucible-free zone melting with a vertically standing rod in connection with the upward movement of the heating device can be used to achieve a benefit such that the cross section of the rod is up to such a diameter can be increased so that it is larger than the inner diameter of the heating device. There is thus a possibility of subjecting rods to zone cleaning and then giving them a relatively large diameter.
This is because the zone cleaning process is difficult to manage with large diameter rods. The demands placed on the attention of those entrusted with the work are too high. For certain purposes, however, large-diameter crystals are required, e.g. B. for electrical semiconductor devices, such as power rectifiers or power transistors. Such arrangements usually have a flat semiconductor wafer as the base body, which is obtained by severing rods produced by crucible-free zone melting transversely to the rod axis, and whose size is therefore equal to the rod diameter. For higher performance, you now need disks with a larger diameter and consequently rods with a larger diameter.
Also for optical purposes, for example for lenses or filters, crystals with a larger diameter are required, for example for radiation in the ultra-red range made of silicon.
So far, after zone cleaning of a rod with a relatively small diameter, it has been possible to bring it into another zone melting device with a larger diameter heating ring, or to replace the heating ring and then to compress the rod accordingly. However, this method is time-consuming and uneconomical compared to the method according to the invention. There is also the possibility of contamination.
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The method is to be explained in more detail using an example. The drawing shows the area of the crystal rod on which the cross-section is enlarged. The melting point is heated with the aid of an induction coil, preferably a flat coil. A flat coil is particularly suitable because it allows good control of the work and a particularly close bundling of the heating effect.
First, the rod is subjected to a zone cleaning process in the usual manner; H. a melting zone is guided several times over the entire length of the rod, the impurities accumulating in the melt and being reduced in the recrystallizing material. As a result, the impurities are continuously transported towards the end of the rod. Conversion of the rod into a single crystal is expediently associated with the zone cleaning process. The heating ring advantageously encloses the rod at a small distance. The rod diameter is expediently 10-18 mm. Experience has shown that this is a variable that is easy to control.
After the zone cleaning process has ended, the upsetting is carried out according to the invention. If, for example, the rod has a diameter of 12 mm and is to be brought to a diameter of 21 mm, the cross-section is enlarged in the ratio 1: 3. Accordingly, the heating ring, in the example shown the flat coil 2, the inside diameter of which is approximately 18 mm, is moved upwards at a relatively high speed, e.g. B. at 6 mm / min. This ensures that the coil is always located somewhat closer to the upper end of the melt 3, that is to say closer to the thinner rod part 4 than the thicker rod part 5. The lower bar posture is moved upwards accordingly, i.e. in the example shown at a speed of 4 mm / min, so that the required compression takes place in this way.
In accordance with the high migration speed of the heating coil, a higher power supply must be used than with zone cleaning. This can easily be adjusted on the high-frequency generator that supplies the heating power. Through this increased power supply, an enlargement of the melting zone is achieved up to such a value that the rod can be compressed to the desired extent.
At the beginning of the upsetting process, it must be ensured that the enlargement of the cross-section takes place in a gradual transition, because otherwise the melt zone can flow away.
The lower rod holder is advantageously kept rotating in a manner known per se, so that a symmetrical outgrowth of the rod is ensured in this way.
PATENT CLAIMS;
1. A method for changing the cross-section of a rod made of crystalline material, in particular semiconductor material, with the help of crucible-free zone melting by moving the rod holders attacking the ends of the rod in the direction of the rod axis, characterized in that a vertical rod from bottom to top Melting zone is passed through and the heating device surrounding the rod at a small distance is guided upwards at such a speed and the two rod holders are brought closer to each other in such a way that the material separating out of the melt below the heating device has a larger diameter than the inner diameter of the Has heating device.